过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统研制

董书宁,杨志斌,朱明诚,张文忠,石 磊,牟 林

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013; 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054; 3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

矿井水害是煤矿建设与生产过程中的五大灾害之一，由于我国复杂的煤田地质构造赋存条件，我国矿井水害事故一直是世界上最为严重的国家之一，尤其是突水灾害给我国煤矿造成了重大的人员伤亡和经济损失[1]。为了控制我国煤矿水害事故发展态势和保持现有工作成效，《煤矿防治水细则》制定了“探、防、堵、疏、排、截、监”7项水害综合治理措施，其中注浆堵水技术不仅可对水灾事故进行灾前预防，更是当前多数水灾事故发生后的主要治理手段[2-3]。

煤矿突水灾害发生后，为了降低经济损失和减少人员伤亡，常需同时实施矿井排水和注浆堵水两项水灾综合治理措施，因此抢险救援期间的过水巷道截流常需在动水条件下进行。目前过水巷道动水截流方法包括以下两种[4]:一是常规的先期灌注骨料及辅料，后期进行补充注浆;二是先期定点投放保浆袋囊，后期进行补充注浆或后期灌注适量骨料后再补充注浆。第1种方法通常由于治理初期过水巷道断面大、流速低、流量大的特征，导致骨料和浆液初期无效堆积和扩散，造成抢险救援工程量大且工期长，而且后期容易发生次生灾害。第2种方法保浆袋囊可以快速缩小巷道过水断面，提高流速，甚至减小流量，提高后期浆液和骨料灌注效率，缩减抢险救援工程量和工期，其特殊的施工工艺，还可避免后期次生灾害的发生。

目前动水注浆研究多集中在孔隙、裂隙、岩溶管道或这几种介质组合的介质结构条件下，对注浆技术、注浆材料、注浆理论、注浆实验等方面开展了大量的研究工作[5-15]，但是关于过水巷道动水截流的注浆堵水研究成果却较少。国外鲜有关于过水巷道动水截流的研究报道。过水巷道动水截流自1984年在开滦范各庄煤矿成功实施以来，先后在国内的任楼煤矿、张集煤矿、东庞煤矿、骆驼山煤矿、桃园煤矿、潘二煤矿等矿井特大突水灾害抢险救援中运用，形成了一套集截流巷道选择、透巷钻孔布设和钻探与注浆装备、工艺、工序为一体的过水巷道动水截流技术体系[4,16-22]。但是，关于过水巷道动水截流机理的研究却少有涉及。文献[23]利用Matlab对过水巷道动水截流进行数值模拟，得出在给定的过水巷道动水截流条件下，骨料堆积体在巷道中接顶的最小粒径，注浆过程中渗流速度最大出现在封堵区域的顶部，随着过水巷道封堵高度的增加突水流量逐渐减小。文献[24-25]利用研制的小型圆型巷道骨料灌注封堵模拟平台，对影响过水巷道动水截流过程中骨料堆积接顶的影响因素和影响程度进行了研究，提出了骨料堆积体截流堵水效果的判据，并结合实际堵水工程分析了截流方案的合理性。文献[26-27]较系统地对过水巷道动水截流过程中，骨料运移堆积规律、浆液扩散凝结规律和有效阻水段长进行了理论分析，并结合实际堵水工程进行了反演验算。文献[16]提出在过水巷道中通过钻孔定点投放大体积速凝早强水泥包的技术方法和专用设备进行动水截流，并在实际堵水工程中试验成功。文献[28-29]利用研发的钻孔控制注浆高效封堵关键技术及装备，在实际堵水工程中，通过定点投放保浆袋囊和补充注浆的方法，成功实现过水巷道动水截流，创造了国内过水巷道动水截流用时最短记录。

以上研究表明，目前过水巷道动水截流研究成果主要集中在技术工艺层面，少有的涉及动水截流机理研究也仅涉及常规动水截流方法，且多停留在单一数值模拟、小型单一骨料灌注物理模拟和单一理论分析层面，而钻孔控制注浆动水快速截流机理研究却鲜有报道。由于过水巷道动水截流隐蔽性极强，无法通过现场注浆堵水工程再现动水截流过程，后期更无法对注浆封堵体进行解剖验证。因此，为了研究过水巷道动水快速截流机理，研制大型模拟实验系统平台具有重要的理论价值和现实意义。

1 巷道动水截流水力学模型

煤矿突水要素包括突水水源、突水通道和突水量，假设截流巷道为水平巷道，则基于突水3要素构建的巷道动水截流水力学概化模型如图1所示，图中突水水源和突水通道可以为任意形式。突水水流从突水区(I区)经阻水区(II区)流向排水区(III区)，巷道截流期间动水流量受突水区的突水水量、阻水区的过水断面和排水区的淹没水位3者影响，其中突水区的突水水量反映突水通道的给水能力，阻水区的过水断面和排水区的淹没水位反映过水巷道的阻水能力。

图1 巷道动水截流水力学概化模型

选择图1中的2-2断面，建立其伯努利能量方程为

(1)

求解式(1)得到2-2断面处的平均流速v为

(2)

根据水流连续性原理，计算得到突水水量为

(3)

式中，Z为突水点标高;P为动水压强;γ为水的容重;v为水流速度;g为重力加速度;Qt为突水量;At为突水通道断面面积;H为突水水源水位。

突水灾害一旦发生后，突水通道性质一般不会发生较大变化，因此，式(3)中的At可以视为常量，突水水量大小完全由突水水源水位H和突水通道与突水口连接点处的动水压强P决定。

在突水初期，2-2断面为自由溢出面(h≤Z)，突水水流压力势能全部转变为动能，P相对为0，突水流速最快，突水水量最大。随着突水水源静储量的不断消耗和矿井淹没水位h的上升，H逐渐减小，P逐渐增大，突水水量逐渐减小。随着突水水源降落漏斗范围的不断扩大，其动态补给量逐渐增加，同时为了降低经济损失和减少人员伤亡，矿井不断排水以控制淹没水位上升，H降幅逐渐减小并趋于0，P增幅也逐渐减小并趋于0，突水水量逐渐趋于稳定。

突水灾害发生时，虽然初期突水量较大，但抢险救援过水巷道动水截流注浆治理时，通常都在突水灾害发生一段时间之后，其一是因为抢险救援设备装运需要时间，其二是因为透巷钻孔施工需要时间。因此，根据巷道动水截流水力学模型可知，开始实施注浆治理时，一般都在井筒淹没水位被控制在某一水平且突水水量基本稳定的条件下，实验模型研制时需满足这一初始条件要求。

随着截流巷道中封堵体的注浆建造，阻水段的过水断面逐渐缩小，阻水区的过水能力逐渐减小。当阻水区过水能力小于突水水量时，巷道中动水流量开始减小，H开始增大。当巷道截流成功后，巷道中动水流量为0，H可恢复到突水前的静止水位，实验模型研制时还需满足这一边界条件要求。

2 巷道动水快速截流工程原型

2011-12-13，榆林市榆阳区农垦榆卜界煤矿1121工作面开切眼4巷掘进过程中发生突水，突水水源为烧变岩水，火烧区监测井静止水位+1 133 m，突水通道为巷道直接揭露火烧区，最大突水量达4 000 m3/h，后期稳定突水量为1 200 m3/h，火烧区监测井水位降至+1 123 m，矿井为降低经济损失，持续排水将井筒淹没水位控制在+1 090 m，巷道动水截流工况如图2所示。

图2 巷道动水截流工况

为了快速封堵井下涌水，采用钻孔控制注浆进行巷道动水截流，治理方案如图3所示。工程施工流程为首先在远离突水点的前排3个控制注浆钻孔中先后投放3个大、小保浆袋囊，其次再在靠近突水点的后排3个控制注浆钻孔中投放3个小保浆袋囊，保浆袋囊控制注浆效果如图4所示;然后，在控制注浆钻孔中依次实施保浆袋外充填堆积注浆和升压置换注浆;最后，利用矿井试排水再次在补强注浆钻孔中进行引流补强注浆。注浆治理过程中的水位流量变化曲线如图5所示。

图3 巷道动水快速截流治理方案

图4 保浆袋囊控制注浆示意

图5 巷道动水快速截流水位流量变化曲线

由图5可以看出，钻孔控制注浆初期，巷道动水流量和淹没水位基本不变，分析原因为巷道中投放保浆袋囊数量少，保浆袋囊虽然缩小了巷道过水断面，但巷道过水能力仍大于动水流量。2012-04-05随着第3个大保浆袋囊的投放，在矿井排水量基本不变和火烧区监测井水位略微下降的条件下，榆卜界煤矿副井水位却呈现大幅下降，分析原因为巷道中保浆袋囊缩小的过水断面幅度已使其过水能力小于先前动水流量，导致巷道突水水量减小，在矿井排水量和巷道突水水量差值因素作用下，榆卜界煤矿副井水位必然呈现下降，而且两者的差值越大其水位下降幅度则越大。后期随着保浆袋囊的继续投放和袋外补充注浆，在矿井排水量减小的条件下，榆卜界煤矿副井水位仍然呈现持续下降态势，而且火烧区监测井水位呈现上升态势，说明巷道过水断面和突水水量还在进一步减小，截流效果越发明显，2012-04-18随着试排水试验的启动，榆卜界煤矿副井水位仍然呈现下降态势，而且下降幅度变大，同时火烧区监测井水位继续上升，说明榆卜界煤矿突水灾害抢险救援成功。后期巷道清淤发现井下阻水段长仅28 m，残余涌水量为0，堵水率100%，历时仅18 d，创造了过水巷道动水截流用时最短的世界纪录。

3 大型模拟实验系统研制

3.1 概念设计

根据巷道动水截流水力学模型和工程原型，大型模拟实验系统首先应该满足巷道动水截流的初始条件和边界条件要求，其次应该具备控制注浆和补充注浆功能，能够再现动水快速截流过程，便于观测保浆袋囊移动规律和浆液扩散凝结规律，可以测试封堵体稳定性能，达到研究封堵体形成机制的目的。因此，其应包括4部分功能系统(模块):保浆袋囊和浆液投注系统、动力供水供浆系统、初始条件和边界条件系统、监测系统。

(1)保浆袋囊和浆液投注系统。主要由一定尺寸和一定耐压及抗变形能力的过水巷道组成，过水巷道的设计反映了实验人员结合要研究的内容对堵水工程原型特征的认识和概化，这是动水截流模型研制的重心，其不仅是保浆袋囊和浆液在受注体中运移扩散规律的模拟体现，也是动水截流机理研究和数值模拟实验依托的对象。

(2)动力供水供浆系统。主要为动水和灌浆创造一定的动力条件，使动水和浆液以一定的压力和流量进入受注体。这一功能系统是模拟动水截流工艺条件的控制环节。

(3)初始条件和边界条件系统。主要模拟堵水工程原型中与封堵体形成机制相关的堵水环境条件，在实验初期形成恒定的动水压力和动水流量初始条件，在实验后期形成动态变化的动水压差和流量衰减边界条件，这一功能系统应考虑模拟巷道流场条件与原型在影响封堵体注浆建造机制方面是否相似。

(4)监测系统。主要对实验前后影响保浆袋囊移动规律、浆液扩散凝结规律、封堵体形成机制及稳定性能的浆-水流动状态、动水压力、动水流量、动水流速、注浆压力、应力应变等所关心的数据进行测试采集，也包括实验结束后对现场解剖封堵体数据的监控测试。

3.2 设备组成

设备组成研制是概念设计的具体化和可操作化，某一个设计功能系统可能需要在多个设备系统中实现，某一个设备研制在考虑其主要功能外，还要考虑兼备其他设计功能的实现。大型模拟实验系统主要由如下6方面设备组成:大型巷道模拟实验舱、动水模拟系统、控制注浆系统、稳压稳流系统、安全分流系统、图像数据采集与处理系统，各设备系统间关系如图6所示。

图6 大型模拟实验系统设备组成概要

3.2.1大型巷道模拟实验舱

该装置是大型模拟实验系统的核心设备，需综合考虑对过水巷道、耐压环境、抗变形能力及物理边界的模拟，同时要满足数据监测的要求。

(1)实验舱结构。实验舱装置包括不透明实验舱和透明实验舱两种(图7，8)，其中不透明实验舱主要用于模拟高压条件下控制注浆保浆袋囊移动规律和测试封堵体稳定性能;透明实验舱主要用于再现动水快速截流过程，模拟保浆袋囊投放后，补充注浆阶段的浆液扩散凝结规律。两种实验舱主体都为一段断面0.5 m宽、0.4 m高的线性比例1∶10的巷道，用于模拟5 m宽、4 m高的截流巷道原型。国内目前过水巷道动水截流条件一般为突水点静止水压5 MPa，动水流量2 000 m3/h，因此设计不透明实验舱承受最大水压为5 MPa;透明实验舱主要用于再现动水快速截流过程，设计其承受的最大水压为0.3 MPa;2种实验舱的动水流量都按流速相等原理设计为20 m3/h。

图7 不透明实验舱装置剖面结构示意

不透明实验舱材质为1020无缝钢材，外侧采用筒状钢结构制作耐压装置，钢筒内径1 m，共3节，单节长度2 m，总长6 m。每节钢筒上方预留2个钻孔，共6个钻孔。实验舱内采用混凝土模块砌筑成宽0.5 m、高0.4 m的模拟巷道，在每个混凝土模块垂直于水流方向等距设置摩阻沟槽，用于形成与原型相似的巷道物理边界，沟槽内预埋应变片以监测封堵体建成后的稳定性能。实验舱两端均采用密封封头。动水从实验舱左侧密封封头流入，右侧密封封头流出，投袋和注浆从实验舱顶部预留的钻孔进行。实验舱两侧的供水管路和回流管路分别安设有水源压力传感器、控制压力传感器、流量传感器和控制回流阀，根据不同的研究需要，通过调节控制回流阀，可以形成不同动水压力、动水流量条件下的注浆建造环境。

透明实验舱材质包括1020无缝钢材和钢化玻璃，外侧采用板状矩形钢结构制作，矩形断面宽0.5 m、高0.4 m，共3节，单节长度3 m，总长9 m，每节实验舱的左侧、右侧和顶部都预留7个孔眼，其中用作透视作用的孔眼采用钢化玻璃通过法兰盘与实验舱面板对接。实验舱底部浇筑10 mm厚的混凝土，以增加模拟巷道底板摩阻，用于形成与原型相似的巷道物理边界。实验舱两端也均采用密封封头。透明实验舱的动水截流工艺条件控制环节与不透明实验舱相同，两者差异主要为耐压能力和是否具备透视功能。

(2)实验舱耐压及抗变形能力检测。不透明实验舱由于实验后期要承受5 MPa的静水压力，为了确保实验安全进行，对设计的实验舱体进行了强度验算，采用有限元计算方法，在密闭实验舱内壁施加5 MPa的壁面压力，得到实验舱钢筒和封头的静应力分析结果如图9，10所示。图9，10验算结果表明，5 MPa的静水压力在实验舱钢筒上可产生的最大静应力不足300 MPa，在实验舱封头上可产生的最大静应力约为320 MPa，但是实验舱材质1020钢材的屈服应力约为620 MPa，可以看出不透明实验舱的耐压及抗变形能力满足实验模拟强度要求。

图9 实验舱1020钢筒静应力分析(放大304倍)

图10 实验舱1020封头静应力分析(放大104倍)

3.2.2动水模拟系统

包括水仓、过滤器、沉定池等动水循环设备，供水泵、供水管路、回流管路、压力传感器、流量传感器、闸阀等动水注入设备，是动水截流工艺动水控制环节的模拟，可实现最大390 L/min的动水循环供应。

3.2.3控制注浆系统

包括浆液的配置和搅拌容器、注浆泵、注浆管路、控制注浆钻具、压力仪表、闸阀等注入设备，是动水截流工艺注浆控制环节的模拟，可实现最大90 L/min的浆液控制灌注。控制注浆钻具采用内外双管结构(图11)，保浆袋囊折叠安装在内外管壁之间。内管(注浆管)底部连接球座，采用投球方式封堵内管底部球座后，可向钻具内注入快速凝胶的水泥-水玻璃双液浆，在注浆压力的作用下推出内管底部球座并拉出保浆袋囊，实现钻具主体部分和抛离部分的分离。保浆袋囊上下两头袋口分别采用约束环和导袋环控制，满足保浆袋囊控制注浆及其抛离前后上下袋口收口需要。快速凝胶的浆液充填在保浆袋囊后，可形成可控范围和固结质量的结石体，落入巷道后可实现对过水巷道的快速截流。

图11 控制注浆钻具示意

3.2.4稳压稳流系统

包括蓄能罐(每个蓄能罐容量为100 L)、进水管路、排水管路、压力仪表、电磁阀、闸阀等蓄能器组设备，是动水截流工艺突水环境控制环节的模拟，实现实验初期在实验舱中形成恒定的动水压力和动水流量初始条件，结合安全分流系统，同时用于实验后期在实验舱中形成动态变化的动水压差和流量衰减边界条件。

3.2.5安全分流系统

包括排水管路、电磁阀、闸阀等分流设备，是动水截流工艺注浆建造后期突水环境控制环节的模拟，结合稳压稳流系统，实现实验后期在实验舱中形成动态变化的动水压差和流量衰减边界条件。

3.2.6图像数据采集与处理系统

图像采集主要由照相机、摄像机及图像处理软件完成，数据采集主要由仪表、传感器、数据采集分析系统完成。根据图像数据采集需要，采集仪器主要分布在大型巷道模拟实验舱、动水模拟系统、控制注浆系统和稳压稳流系统四大设备系统中。

根据概念设计模型和设备系统组成，完成的大型模拟实验系统如图12所示。

4 模拟系统实验流程和功能验证

4.1 功能介绍

根据大型模拟实验系统的功能系统设计和设备系统组成，其可用于模拟不同矿井淹没水位、不同突水水源水位条件下的宽5 m、高4 m、动水流量2 000 m3/h的过水巷道快速截流封堵体形成机制研究，其中不透明实验舱模拟系统主要用于5 MPa突水水源水位和任意矿井淹没水位压力条件下的控制注浆保浆袋囊移动规律和封堵体稳定性能研究，透明实验舱模拟系统主要用于0.3 MPa动水压力条件下，保浆袋囊投放后的袋外补充注浆浆液扩散凝结规律研究。模拟系统功能如图13所示。

4.2 实验流程

基于大型模拟实验系统的功能系统和设备系统的组成及设计原理，采用计算机控制系统进行有关数据采集和电控阀门逻辑控制，实验流程为:① 实验开始前，按研究需要设置截流成功后封堵体需承受的最大静水压力P1和矿井淹没水位控制压力P2及动水流量Q。② 根据设置动水流量Q进行供水泵档位选择并启动供水泵。③ 调节控制回流阀至回流压力传感器压力满足实验压力P2，系统发出第1次声光信号。④ 系统按设置实验压力P2自动开启蓄能器组进水通道稳压(按设置动水流量Q选择开启蓄能器组数量)，待回流压力传感器压力回升至实验压力P2，系统发出第2次声光信号，提示可以进行动水截流模拟实验。⑤ 随着保浆袋囊投放和浆液灌注，实验舱中阻水段过水断面不断减小，供水压力传感器压力将会升高，回流压力传感器压力将会降低或保持不变，同时动水流量将会减小，系统根据设置实验压力P1,P2压差，自动按其三等分压力递增顺序开启分流系统分流节流阀进行分流，而且在供水压力传感器压力分别升至P2+(P1-P2)/3,P2+(P1-P2)/3×2,P1时，系统分别发出一次声光信号，提示分流系统分流成功。在此过程中，在供水压力传感器压力升至P2+(P1-P2)/3之前、P2+(P1-P2)/3与P2+(P1-P2)/3×2之间、P2+(P1-P2)/3×2与P1之间，蓄能器组可对动水流量减少量进行分流，从而实现封堵体建造过程中动态变化的动水压差和流量衰减条件。⑥ 当系统最后一次发出声光信号时，提示动水截流模拟实验完成，关闭供水泵，打开供水管路放水阀，卸样观测并采取图像，结合实验过程中的全程数据监测，对样品、图像及数据进行后续分析处理。

4.3 功能验证

根据研制的大型模拟实验系统，进行了一组稳压稳流系统监测实验和一组抛袋实验，监测实验P1,P2分别设置为5,2 MPa，抛袋实验P1,P2,Q分别设置为3 MPa,1.5 MPa,200 L/min，保浆袋囊形态为直径0.35 m、长0.6 m的圆柱形(V=0.058 m3)单保浆袋囊，其中监测实验主要用于模拟动水高压条件下，模拟系统是否具备稳压稳流功能，实验结果如图14所示;抛袋实验主要用于模拟动水高压条件下，保浆袋囊控制注浆效果和移动规律，实验结果如图15，16所示。

图14 监测实验水压流量变化曲线

图15 抛袋实验水压流量变化曲线

图16 投袋后的封堵体形态

由图14可以看出，在P2稳定在设定压力2 MPa时，P1和Q都能够稳定，实现了实验初期形成恒定的动水压力和动水流量初始条件。随着P1的逐渐增大，P2和Q都逐渐减小，实现了实验后期形成动态变化的动水压差和流量衰减边界条件。另外，P1,P2,Q在整个实验过程中都较稳定，没有出现较大波动，实现了模拟系统在动水高压条件下的稳压稳流功能。

由图15可以看出，在P2稳定在设定压力1.5 MPa时，P1和Q分别稳定在1.51 MPa和200 L/min。实验后期至抛袋实验结束，P1,P2,Q都保持稳定，其中P1,P2的动水压差始终保持在1～2 m的水头差，另外控制注浆过程中的注浆压力和应变片监测到的应变量也都保持不变，说明保浆袋囊控制注浆未能减小动水流量，必须通过后期袋外补充注浆进一步减小过水断面，才能实现动水快速截流成功。

由图16可以看出，保浆袋囊虽然大幅减小了过水断面，但在保浆袋囊两侧仍明显存在残余过水断面。实验结束后对实验舱拆卸后的封堵体进行测量，保浆袋囊位于其投放钻孔的正下方，未发生移动，充满水泥浆液的保浆袋囊体积为0.038 m3，迎流面积为0.14 m2，说明水泥浆液仅充满保浆袋囊体积的66%即从控制注浆钻具中脱落至巷道，其减小的巷道过水断面积仅为70%，此时残余过水断面过水能力仍大于突水水量200 L/min，进一步说明必须通过后期补充注浆方能实现动水快速截流成功。

监测实验和抛袋实验结果表明，模拟系统在实验压力、稳压功能、分流功能、投袋注浆、数据监测等方面都可达到设计要求，表明研制的过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统是合理可行的。

5 结 论

(1)建立了过水巷道动水截流的水力学模型，结合过水巷道保浆袋囊控制注浆动水快速截流成功案例分析的基础上，设计了过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统的概念模型，认为其应具备的4个功能模块分别为保浆袋囊和浆液投注系统、动力供水供浆系统、初始条件和边界条件系统、监测系统。

(2)根据过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统概念设计，构建了其具体化和可操作化的设备组成系统，包括大型巷道模拟实验舱、动水模拟系统、控制注浆系统、稳压稳流系统、安全分流系统、图像数据采集与处理系统。

(3)基于过水巷道动水快速截流大型模拟实验研究需要，研制了不透明和透明两种大型巷道模拟实验舱，并对具有耐压和抗变形能力要求的不透明实验舱进行了强度验算，结果表明不透明实验舱可以满足大型模拟实验条件要求。

(4)基于过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统的功能系统和设备系统的组成及设计原理，给出了模拟实验操作流程，进行了一组稳压稳流系统监测实验和一组抛袋实验，其中监测实验结果表明模拟系统可以满足动水快速截流堵水环境的初始条件和边界条件要求;抛袋实验结果表明保浆袋囊在未充满浆液的条件下提前脱落至巷道，单个保浆袋囊虽然未发生移动且能大幅减小巷道过水断面面积，但难以减小巷道突水水量，必须通过后期袋外补充注浆进一步封堵，才能实现动水快速截流成功，有待进一步深入研究。